Mojmír Štěrba: Jak funguje 'Chytrá energie'

Zde hodnotíme část projektu, kterou tvoří elektrická energie. Vstupní hodnoty jsou převzaty ze studie Chytrá energie a náš model zkoumá, jaká je funkčnost navržené elektrizační soustavy.

1. Základní východiska projektu elektrizační soustavy.
Projekt vychází z principu využití obnovitelných zdrojů energie s malým podílem zemního plynu. Předpokládá zabezpečit produkci 53 TWh z vlastních zdrojů + 10 TWh z importu, což je o 13 % méně než současná produkce.
Vlastní zdroje vygenerují za rok:
26,22 TWh z FV+VTE+VE
26,24 Twh z biomasy
= 52,48 TWh celkem
Projekt zahrnuje zdroje a spotřebu připojené k síti + energii pro elektromobily, které nahradí benzinové a naftové.

- Závěr studie je, že suma spotřeby = produkci zdrojů, takže systém je prohlášen za provozuschopný, energeticky soběstačný.

2. Metoda řešení
Metodou Chytré energie je statické a statistické shromažďování, vyhodnocování spotřeby a zdrojů energie a jejich sumarizace. Tento krok je nutný ale nikoliv postačující.
Pro elektrizační soustavu je rozhodující druhý krok, to je modelování funkční provozovatelnosti, v časovém sledu. Tento krok je přímo závislý na fyzikálních vlastnostech elektrizační soustavy. Studie Chytrá energie tuto modelaci neprovádí, proto analýzu funkčnosti provedeme za ní.

3. Řešení funkčnosti elektrizační sítě
Na základě údajů ze studie Chytrá energie byl vytvořen simulační model, který zkoumá funkčnost takto navržené elektrizační soustavy. Tento proces musí proběhnout u každé elektrizační soustavy, aby se zjistila rizika narušení stability a zabránění následnému kolapsu. Podmínky pro připojování OZE do současné ES řeší renomovaný výzkumný ústav ČSRES EGÚ, a.s. Brno, zkoumá, jaké jsou limitní hodnoty pro připojení OZE do současné plně regulované elektrizační soustavy v podmínkách fosilní a jaderné energie.
Chytrá energie musí řešit odlišný problém, protože všechny zdroje jsou obnovitelné a zcela závislé na přírodních podmínkách.
Vzhledem k tomu, že tento problém studie Chytrá energie ani náznakem neřeší, provedeme to my.

4. Řešení funkčnosti elektrizační soustavy podle studie Chytrá energie.
Všechny zdroje vycházejí z OZE, které jsou proměnlivé podle počasí a roční doby a tudíž poskytují proměnlivou produkci během roku a dne. Tuto proměnlivost zachycuje model1 metodou nejslabšího článku, kterým je nejchladnější měsíc leden. Model1 spustí elektrizační soustavu 1. ledna a po dnech a během dne po hodinách zkoumá, jak probíhá proces rovnováhy spotřeby a produkce. Hned první den dojde k vyčerpání kapacit přečerpávacích vodních elektráren PVE a překročení záložních kapacit, které jsou tvořeny prostřednictvím zatím fiktivní chytré sítě Smart Grid. Činnost PVE byla úplně ochromena pro nedostatek energie, PPE a SmartGrid dohromady s regulačním výkonem 2114 MW ani zdaleka nestačily regulovat výkyvy spotřeby a produkce. Když vyloučíme možnost permanentní regulace z importu, tak ES byla v permanentním kolapsu jak dokumentuje model1.

5. Zkoumáme, jak se ES bude chovat během kalendářního roku
Zatím budeme předpokládat neomezený objem regulačního importu a exportu, abychom mohli sledovat, jak by se ES chovala v průběhu roku. K tomu slouží model2 , který prochází postupně všemi měsíci od ledna do prosince a vyhodnocuje rovnováhu ES. Únor probíhá obdobně jako leden. V březnu již přibývá slunce, klesá import, ale začínají se projevovat nárazy produkce FV, která má v poledne špičkový výkon až 12000 MWp, které částečně spotřebuje vlastní spotřeba, dojde k čerpání záporné zálohy a nevyčerpaný zbytek jde do exportu. Tento stav se stále prohlubuje a v letních měsících už dochází k tak velkému exportu, že by to ohrozilo přenosovou soustavu. Lámat se to začne v září, kdy ubývá slunce a začíná se projevovat nedostatek energie, +záloha nestačí a začíná import, který se zvětšuje a v listopadu a prosinci se dostává na úroveň ledna, února. Podrobně je možné průběh roku sledovat v modelu2.
Uvedený průběh ilustruje průběh roku který ve skutečnosti není možný, protože nasmlouvat tak velké výkyvy regulační energie není reálné. A i kdyby to bylo možné, tak doma nevyužitelné nárazové přebytky v letních měsících jsou vlastně ztraceny. Ve studii je uvedeno, že Dánsko produkuje 20 % z větrné energie a regulaci hravě zvládne. Bohužel nezvládne, protože regulace je prováděna prostřednictvím norských a švédských hydroelektráren, nikoliv z vlastních regulačních zdrojů.

6. Co kdybychom zvyšovali vlastní zálohu a přešli na vlastní regulaci?
Je to spíše hypotetická úloha, ale prověříme ji viz model3 . Předpokladem je, že Smart Grid může zvyšovat regulační výkon na takovou hodnotu, až regulační import a export klesne k nule, resp. na hodnotu potřebnou pro řešení krátkodobých výpadků. Nulového regulačního importu/exportu nebylo možné dosáhnou ani při regulačním výkonu Smart Grid 10000 MW a objemu zálohy 10000 GWh. Zatím není známo, jak by takový regulační výkon mohly OZE vygenerovat.

7. Jaké jsou možnosti OZE
Tak, jak byl projekt navržen ve studii Chytrá energie je nerealizovatelný z důvodu regulace, proto hledáme podmínky za kterých by bylo možné OZE provádí to model4 Výsledkem je zjištění, že ES ohledem na regulovatelnost, velikost stálého zdroje je provozovatelná pro nižší spotřebu – 65 % té původní, spotřebu 53 TWh by nebyla schopná zabezpečit. Dalším zjištěním je, že produkce je závislá na velikosti stálého energetického zdroje v našem případě to je biomasa 3650 MW. Limitní hodnota instalačního výkonu FV je 1000 MWp a VTE 2000 MWi. Výkony mohou mírně oscilovat kolem uvedených hodnot v závislosti na nasmlouvání regulačního importu a exportu. Jsou srovnatelné se závěry EGÚ s tím rozdílem, že EGÚ má k dispozici regulační výkony současných fosilních a jaderných zdrojů a reguluje odchylky od nasmlouvaných hodnot, kdežto my máme k dispozici fiktivní výkony chytré sítě Smart Grid s nutností řešit regulaci plných odchylek.

8. Závěry a doporučení
- OZE mají svá omezení, elektrizační soustava je fatálně závislá na regulační a akumulační kapacitě.
- OZE jsou plně závislé na meteorologických a klimatických podmínkách, jejich proměnlivost v průběhu roku může velmi podstatně ovlivnit funkčnost elektrizační soustavy.
- Místo velkých prohlášení je třeba se věnovat rozvoji a vývoji podpůrných služeb elektrizační soustavy v podmínkách OZE a tento fenomén zařazovat do studií o energetice s OZE.
- Je třeba vyvíjet a zdokonalovat predikční a simulační nástroje pro řízení rovnováhy ES v podmínkách OZE.
- Řešit akumulaci větších objemů elektrické energie.
- Řešit regulační pravidla pro provoz OZE, zejména řízení jejich dodávky.

Tento dokument není vypovězením války obnovitelným zdrojům, ale upozorněním na problémy, které je třeba řešit, nikoliv se jim vyhýbat, když jsou pro nás nepříjemné.

Až přijde hodina pravdy, tak se budeme muset uskromnit v našem životě, pokud se nám přeci jen nepodaří poručit větru dešti.